ALPHA (CERN) confirma que el antihidrógeno es neutro

Dibujo20160120 The ALPHA facility at CERN near Geneva Switzerland nature529294a-f1

El hidrógeno (un protón y un electrón) es un átomo eléctricamente neutro. El experimento ALPHA en el CERN confirma a menos de una parte en mil millones que el antihidrógeno (un antiprotón y un positrón) es un antiátomo eléctricamente neutro. Este resultado limita la posible anomalía de carga del positrón al mismo orden, una parte en mil millones a una sigma de confianza estadística. El modelo estándar predice que así tiene que ser, pero en ciencia siempre debemos asegurarnos de que no haya anomalías.

ALPHA es una trampa de antihidrógenos fríos. Aplicando un campo eléctrico variable a la trampa se logra estudiar la carga de estos antiátomos. El resultado de la nueva medida de la carga Q·e del antihidrógeno, |Q| < 0,71 × 10–9 al 68% CL, es 20 veces más preciso que el resultado previo. Por supuesto, el valor está aún lejos del que se puede obtener para los átomos (H2, He y SF6) que es de |Q| < 10−21 al 68% CL, pues atrapar antimateria es mucho más difícil que atrapar materia.

En mi opinión, lo más importante es que la nueva medida es que permite usar los antihidrógenos para estudiar la gravedad de la antimateria sin preocuparse por los efectos debidos a su (posible) carga eléctrica. El artículo es M. Ahmadi et al., “An improved limit on the charge of antihydrogen from stochastic acceleration,” Nature 529: 373–376 (21 Jan 2016), doi: 10.1038/nature16491. Más información en Thomas J. Phillips, “Exotic atoms: Antimatter may matter,” Nature 529: 294–295 (21 Jan 2016), doi: 10.1038/529294a.

Dibujo20160120 Experiment schematic alpha antiatom charge measurement nature16491-f1

El nuevo resultado para el antihidrógeno es comparable al resultado previo para la anomalía de carga para el antiprotón (medida usando helio antiprotónico), pero mejora mucho la estimación de la anomalía de carga para el positrón (mucho más difícil de medir). Ahora la estimación para ambas anomalías de carga es comparable en precisión (del orden una parte en mil millones).

El esquema experimental es sencillo en apariencia, aunque técnicamente único en el mundo. Mediante un trampa magnética se atrapa un átomo de antihidrógeno (el campo magnético usado es de un tesla y la trampa es un pozo energético de 0,54 K, medida en unidades de temperatura). Manejar la trampa es muy complicado y muchos antiátomos se aniquilan dentro de la trampa antes de que se puedan medir sus propiedades.

Dibujo20160120 Stochastic drive potentials nature16491-f2

Para estudiar la carga eléctrica se aplica un campo eléctrico variable mediante dos electrodos en los extremos de la trampa. Para mejorar la precisión de la medida se aprovecha el fenómeno de la aceleración estocástica, que se logra haciendo variar el campo eléctrico de forma aleatoria. Este fenómeno cambia la frecuencia de las oscilaciones orbitales del antiátomo, lo que afecta a su probabilidad de supervivencia en la trampa. Las variaciones aleatorias del campo eléctrico tiene un periodo medio de unos dos milisegundos y se estudia el comportamiento del antihidrógeno en la trampa durante unos 115 segundos.

Dibujo20160120 Survival probability alpha antihydrogen nature16491-f3

El ajuste de la curva teórica de probabilidad de supervivencia con los datos experimentales permite estimar la carga eléctrica del antihidrógeno. Como se observa en esta figura, el resultado está en el rango de una parte por mil millones (1 p.p.b. en la figura). Un análisis estadístico bayesiano permite refutar la hipótesis de que |Q| > 0,79 p.p.b. (con un mejor ajuste para la curva teórica, sin tener en cuenta errores sistemáticos, de |Q| < 0,59 p.p.b.).

Comparando con los resultados de simulaciones de Montecarlo se obtiene una estimación de |Q| < 0,71 p.p.b. al 68,3% (1 σ) de nivel de confianza (C.L.). Una mejora de una factor de 20 con respecto a la mejor medida anterior. Para la anomalía de carga del positrón se obtiene un valor de 1 p.p.b. (1 σ), una mejora de un factor de 25 respecto a medidas previas. Futuras mejoras en ALPHA permitirán mejorar estas estimaciones.

En resumen, aunque todo el mundo espera que el antihidrógeno sea eléctricamente neutro, hay que confirmarlo con alta precisión. Sobre todo si se quieren estudiar los efectos de la gravedad sobre el antihidrógeno sin tener que preocuparse de campos eléctricos residuales.

8 Comentarios

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NadieNadie

Hola Francis, soy un lector habitual de tu blog. Me gustaría felicitarte por el trabajo que realizas en este blog ya que nos ayudas a enterarnos de las últimas noticias de Física.

Yo no soy un experto en Física, sino que estoy estudiando la carrera y a veces me pierdo en tus explicaciones. Sin embargo, en mi opinión, creo que podrías hacer algo para evitar que tus lectores que no somos expertos en el tema no nos perdiésemos en la lectura de tus artículos, y esto sería explicar explícitamente en un par de líneas qué es lo que se representa en la gráficas que muestras y las consecuencias de éstas, ya que no tengo ni idea de lo que reflejan la mayoría de las gráficas.

Gracias por tu blog.

Francisco R. Villatoro

Nadie, te explico. La primera figura es una foto del laboratorio con el experimento ALPHA (creo que sobra el pie de figura). La segunda figura muestra (a) el esquema experimental, (b) el campo magnético que atrapa el antihidrógeno, y (c) un ejemplo del potencial del campo eléctrico estocástico aplicado en la trampa (creo que el pie de figura sobra, porque si sabes inglés podrás leer las etiquetas de los ejes que te dicen exactamente lo mismo que te acabo de decir). La tercera figura muestra el potencial eléctrico en función del tiempo en un punto de la trampa (no importa cuál, si sabes inglés podrás leer las etiquetas de los ejes). Y la última figura, la única que explico en la entrada, ya está explicada en el texto.

Quizás te preguntes, por qué este blog no explica las cosas como lo hacen los libros de texto. La respuesta es sencilla, es un blog, no es un libro de texto. Lo siento, pero si quieres leer noticias como las que publico en formato libro de texto tendrás que esperar entre 5 y 10 años a que estos resultados se incorporen a los libros de texto. Mientras tanto tendrás que esforzarte un poco.

El objetivo de este blog es que, si te interesa lo que cuento, te leas el artículo que cito y lo trabajes por tu cuenta. Mi objetivo es motivar a mis lectores a leer artículos científicos. Si estudias una carrera universitaria te será muy fácil acceder a estos artículos (tu universidad seguro que te ofrece acceso gratis a ellos). Sé que la mayoría de mis lectores nunca leerán un artículo científico. Pero no me importa, mi objetivo sigue siendo el mismo. Mi público objetivo sigue siendo el mismo, aunque solo corresponde a una (amplia) minoría de mis lectores.

Saludos y que disfrutes tu carrera.
Francis

MiguelCMMiguelCM

El uso de positivo y negativo solo es semántico, para referirse a cargas opuestas, tu si quieres puedes llamar a las cargas como quieras, perro-gato, negra-blanca, izquierda-derecha, nube-niebla, como quieras… Sus propiedades no cambian y son iguales pero opuestas. Las matemáticas no se dejan influir por el lenguaje, puedes estar tranquilo.

Saludos

MarioMario

Eso pasa cuando crees saber de letras y vas a opinar a un blog de ciencias. Es evidente que tus conocimientos de física con decadentes.

wachovskywachovsky

cuando “se establece que hay cosas opuestas y no se extrae de una observación exenta del concepto opuestos” pues bien, eso ya lo dedujo y explicitó Kant, menuda y sesuda matriz mental cerebral que nos ayuda a entender la electrodinámica que entendieron sus contemporáneos… y fue Kant antes de Laplace el que pergeñó la teoría nebular para la formación del sistema estelar que aún hoy sostenemos, ni positivo ni negativo, ni sesgos cognitivos: solo los límites del conocimiento que Kant siempre postuló en sus escritos. Algo que está escrito en la neuronas de las que disponemos para pensar, hablar y escribir (aunque lo podamos llevar para el lado de Deleuze y decir deleuzeanas idioteces pseudocientíficas, tanto que lo honran sus connaturales bípedos).

Pedro Mascarós

Bogosu, la que tú quieras darle, la que nosotros queramos, pues se trata de una descripción a alto nivel de la capacidad de las partículas de intercambiar fotones. El intercambio es el que produce la interacción que hace que las partículas se acerquen o alejen. A la propiedad que mide esta capacidad se le llama carga eléctrica, y decimos que dos partículas tienen cargas opuestas cuando se atraen, pero perfectamente podríamos haberlo llamado “cargas amigas” por ejemplo.
A la hora de estudiar este proceso, se descubrió que había algo medible que se conservaba, y que gracias a ello se podía predecir cuándo se iban a repeler o cuando a atraer; a esta propiedad se le llamó carga y a los dos tipos que se conservaban se les llamó positivo y negativo, y se les adjudicó una relación de opuestos, lo cual es cómodo cuando te acostumbras a que opuesto significa que se atraen. Pero si lo cambiamos a cargas Azul y negro, y les damos una relación de , por ejemplo, “ligadura”, también serviría.

Si te fijas el problema con los campos y las partículas, es que no tenemos un lenguaje para expresar lo que nos vamos encontrando, por eso acomodamos lo que tenemos, pero nadie pretende darles esas propiedades.

Saludos.

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